非常规穹顶天窗结构计算分析

张增球

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 工程概况

某项目为星级城市商务酒店，分为裙房和塔楼两部分，之间设置结构变形缝。塔楼结构层数为14层，高度为62.0m，采用框架—剪力墙结构体系；裙房为3层，高度为18.0m，采用框架结构体系。本项目穹顶天窗位于裙房大堂二层主入口上方屋面，用于满足采光功能及造型需要[1]。穹顶天窗为一个球面，平面投影为直径22.0m圆形，中间拱高为2.4m，高跨比为1/9.2。穹顶天窗采用了不同直径的圆形进行随机组合，从功能上满足采光需求，从效果上营造出一种随机组合排列的气泡效果。

2 结构体系

2.1 气泡机理

穹顶天窗拟采用气泡组合，但其随机组合形式多样化，为优选方案，综合考虑结构受力、构件加工、和制作要求，利用Rhino三维软件和Grasshopper参数化工具里的袋鼠（kangroo）插件进行方案比选。利用插件中提供的二维气泡排斥算法，将4个尺寸（直径分别为0.6m、1.2m、2.4m和4.8m）的二维圆形投影到球面上，既满足随机同时又满足相互相切的前提下得到多种组合方案。在多个方案中，选取了气泡排布均匀性较好且气泡之间空隙少而密的方案作为定稿建筑方案。

2.2 穹顶结构体系

穹顶采用单层结构体系，中间为四种不同直径的圆形随机组合而成，圆与圆之间相切紧密接连在一起，四周通过径向的杆件支撑在屋面的环梁立柱及混凝土柱墩上，如图1所示。圆形部分杆件截面为B400×150×10×10，径向杆件截面为B350×200×10×10，均为箱型截面，材质为Q345B。

图1 穹顶天窗钢结构体系

结构受力特点为：通过增加周边约束，穹顶结构形成了很好的拱壳效应，穹顶内部圆圈杆件以轴力为主，圆与圆之间通过节点相互连接形成稳定的结构受力体系，再通过径向支撑杆件传递到支座位置，径向杆件以压弯构件为主。……